Dissertation: a work Piece bases Approach for Programming Cooperating Industrial Robots

Figure 2.7: A cooperating robot test-rig from KUKA GmbH
but also central error detection and general program modification for process adaptation.
On the other hand Kanitani (1993) proposed a similar architecture but emphasized the
overall system operation by introducing the robot-based master notion which discussed
how the motion and velocity could be synchronized in a shared program. The more recent
wave of inventions started in the early 2000’s. FANUC filed a patent in 2001 (Takahashi
& Kosaka 2001) proposing a control system and its accompanying operation scheme
where a plurality of robots working in a cooperative mode store 3 di
fferent operation
programs. The first one makes the robot a master, the second would make it a slave
and the third would operate the robot independent of the other robots. According to the
patent, the arrangement guaranteed operation of all the robots in either a cooperative
mode (irregardless of being a master or slave) or an independent mode at all times. To
extend the applicability of the latter patent for an unlimited number of robots, KUKA
filed a patent in 2004 (Stoddard et al. 2004) proposing outfitting the robots’ controllers
with multiple motion instruction sources. Consequently, the robots were operated either
in a synchronous mode (when they receive their instructions from an external source
through a network) or operated in an independent fashion (when they use their internal
motion instruction source). KUKA also proposed a detailed description of the workings
of such a coordination system in a subsequent patent (William Kneifel II & Stoddard
2004). This was achieved by devising a mutual exclusion mechanism to prevent several
instruction sources from simultaneous access to the same robot. Lapham (2005) proposed
a control system based on a general purpose computer which interfaces with the real-time
subsystems of a mechanism or robot. An execution module on this computer generates
30

---

2.5 Cooperative manipulators: commercial systems
the move command and synchronizes it with the interpreters or move modules on the
real-time subsystems. ABB filed a patent in 2009 (Fortell et al. 2009) proposing a two
level path planner scheme for cooperating robots. While each robot possesses its own path
planner, a global path planner generates the robots’ respective paths during a cooperative
task. During any one time either the separate path planner or the coordination path planner
is activated using a switching technique with a mutual exclusion mechanism similar to
that proposed from William Kneifel II & Stoddard (2004). Hence, during a cooperative
task one or more robots could break free of the pack and execute an independent task and
after its completion return to where it
/they left off in the cooperative task. While the latter
patent avoided specific hardware configurations, ABB’s subsequent patent exclusively
addressed that issue. Not limiting itself to robots but extending to arbitrary mechanical
units, ABB’s patent (Kettu et al. 2009) describes how a single server controller side
consisting of independent control units communicates over a network with the mechanical
units facilitating synchronized movement. Control programs are stored on a memory on
the server and subsequently interpreted for execution instructions. Additionally, the server
is connected to a shared HMI and employs software to distribute available real and virtual
resources to the connected control units.
On coordination and time synchronization
To avoid operation disturbances due to variable time latency through the communication
channel, FANUC proposed a coordination method based on the communication time delay
(Hashimoto & Ohya 2008). Synchronizing the robot controllers with the master robot
controller depends on the time interval between the generation of a basic operation signal
and its echo from the respective slave controllers. This time interval is used to synchronize
the basic operation signal of the respective slave controllers with the corresponding basic
operation signal from the master controller. ABB touched upon the issue of coordination
by overcoming latency incurred for synchronizing a master
/slave arrangement since in
a cooperative state the cooperative path planner is switched on, performing a parallel
interpolation of the robots’ movements (Fortell et al. 2009). Hence motion instructions
are directly sent to each robot avoiding the time delay caused by communication of non-
interpreted motion instructions. Although barely discussed, KUKA tackled the problem
of synchronization from the program execution point of view (Graf et al. 2006b). It
proposed special data structures containing control data which are exchanged between
control units. By adding certain trigger points in the program, those data structures are
accessed during cooperation which facilitate the synchronization of movement between
the robots according to prescribed data stored in them.
On Calibration
Despite its importance, calibration was a topic largely absent from the manufacturers
focus especially w.r.t. cooperating manipulators. However, KUKA proposed an extended
calibration to overcome the deficiency of depending on an academic approach in calibrating
multiple robots w.r.t. each other (Graf et al. 2006a). Taking into consideration the fact
that deflections in the real-world occur during the movement of the robots, the method
31

---

2 Literature Review
calls for calibrating each robot w.r.t. all other robots using an independent coordinate
transformation which is saved in each robot’s respective memory storage. Basically, the
method calls for moving from a master-slave based calibration scheme to a distributed
one.
Hashimoto et al.
Fortell et al.
1993
2001
2004
2005
2006
2008
2009
Kanitani
Otera et al.
Takahashi et al.
Kettu et al.
Lapham
William Kneifel II et al.
Stoddard et al.
Graf et al. (a)
Graf et al. (b) 
RC 1
RC 2
RC n